扫描探针显微镜.ppt

二、 原子力显微镜的分辨率 原子力显微镜分辨率包括侧向分辨率和垂直分辨率．图像的侧向分辨率决定于两种因素：采集团像的步宽(Step size)和针尖形状． 1. 步宽因素 原子力显微镜图像由许多点组成，其采点的形式如图3.3所示．扫描器沿着齿形路线进行扫描，计算机以一定的步宽取数据点．以每幅图像取512x 512数据点计算，扫描1μm x1μm尺寸图像得到步宽为2nm(1μm／512)，高质量针尖可以提供1~2nm的分辨率．由此可知，在扫描样品尺寸超过1μm x1μm时，AFM的侧向分辨率是由采集图像的步宽决定的。 2. 针尖因素 AFM成像实际上是针尖形状与表面形貌作用的结果，针尖的形状是影响侧向分辨率的关键因素。针尖影响AFM成像主要表现在两个方面：针尖的曲率半径和针尖侧面角，曲率半径决定最高侧向分辨率，而探针的侧面角决定最高表面比率特征的探测能力．如图3.4所示，曲率半径越小，越能分辨精细结构． 图3,4 不同曲率半径的针尖对球形物成像时的扫描路线 当针尖有污染时会导致针尖变钝(图4)，使得图像灵敏度下降或失真，但钝的针尖或污染的针尖不影响样品的垂直分辨率．样品的陡峭面分辨程度决定于针尖的侧面角大小．侧面角越小，分辨陡峭样品表面能力就越强，图5说明了针尖侧面角对样品成像的影响。 图4 针尖污染时成像路线和相应形貌图 图5 不同侧面角针尖对样品表面成像路线影响 三、 原于力显微镜基本成像模式 原子力显微镜有四种基本成像模式，它们分别是接触式(Contact mode)、非接触式(non-contact mode)、敲击式(tapping mode)和升降式(lift mode)． 1. 接触成像模式 在接触式AFM中，探针与样品表面进行“软接触”．当探针逐渐靠近样品表面时，探针表面原子与样品表面原子首先相互吸引，一直到原子间电子云开始相互静电排斥．如图7所示。 这种静电排斥随探针与样品表面原子进一步靠近，逐渐抵消原子间的吸引力．当原子间距离小于1nm，约为化学键长时，范德华力为0．当合力为正值(排斥)时，原子相互接触．由于在接触区域范德华力曲线斜率很高，范德华斥力几乎抵消了使探针进一步靠近样品表面原子的推力．当探针弹性系数很小时，悬臂发生弯曲．通过检测这种弯曲就可以进行样品形貌观察。假如设计很大弹性系数的硬探针给样品表面施加很大的作用力，探针就会使样品表面产生形变或破坏样品表面．这时就可以得到样品力学信息或对样品表面进行修饰． 2. 非接触成像模式 非接触式AFM中，探针以特定的频率在样品表面附近振动．探针和样品表面距离在几纳米到数十纳米之间．这一距离范围在范德华力曲线上位于非接触区域．在非接触区域，探针和样品表面所受的总力很小，通常在10-12N左右。在非接触式AFM中，探针以接近于其自身共振频率 (一般为100kHz到400kHz)及几纳米到数十纳米的振幅振动．当探针接近样品表面时，探针共振频率或振幅发生变化检测器检测到这种变化后，把信号传递给反馈系统，然后反馈控制回路通过移动扫描器来保持探针共振频率或振幅恒定，进而使探针与样品表面平均距离恒定，计算机通过记录扫描器的移动获得样品表面形貌图。 非接触式AFM不破坏样品表面，适用于较软的样品．对于无表面吸附层的刚性样品而言．非接触式AFM与接触式AFM获得的表面形貌图基本相同．但对于表面吸附凝聚水的刚性样品，情况则有所不同．接触式AFM可以穿过液体层获得刚性样品表面形貌图，而非接触式AFM则得到液体表面形貌图。 3. 敲击成像模式 敲击式AFM与非接触式AFM比较相似，但它比非接触式AFM有更近的样品与针尖距离．和非接触式AFM一样，在敲击模式中，一种恒定的驱动力使探针悬臂以一定的频率振动(一般为几百千赫)．振动的振幅可以通过检测系统检测．当针尖刚接触到样品时，悬臂振幅会减少到某一数值．在扫描样品的过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定．当针尖扫描到样品突出区域时．悬臂共振受到阻碍变大，振幅随之减小．相反，当针尖通过样品凹陷区域时，悬臀振动受到的阻力减小，振幅随之增加。悬臂振幅的变化经检测器检测并输入控制器后，反馈回路调节针尖和样品的距离，使悬臂振幅保持恒定．反馈调节是靠改变Z方向上压电陶瓷管电压完成的。当针尖扫描样品时，通过记录压电陶瓷管的移动就得到样品表面形貌图。 敲击式AFM与接触式和非接触式AFM相比有明显的优点.敲击式AFM有效防止了样品对针尖的粘滞现象和针尖对样品的损坏．如图8所示，当遇到固定不牢的样品时，用接触式AFM成像易使样品因摩擦力和粘滞力被拉起，从而产生假象．用非接